- 249 -
고정밀 24비트 디지털 데이터로거를 이용한 철도구조물의 경사계측에 관한 연구
A Study of Incline Measurement using High Accuracy Digital Datalogger System for Railway Structures
이승원* 이근호** 정재민***
Lee, Seong-Won Lee, Keun-Ho Chung Jae-Min
---
ABSTRACT
The objective of this study is the developement of real time automatic incline measurement using high accuracy digital datalogger for safety and maintence of railway construction sites. For the replacement of current 16 bit analog/digital converter, Digital datalogger system using 24 bit analog/digital converter is studied for the first time with in a country. Therefore data communication method and analyzing program of automatic measurement data is developed for the automatic high accuracy digital datalogge system. The results of this study will be using real time automatic incline measurement of railway structures.
---
1. 서론
현재 각종 철도구조물 건설현장의 안정성 확보 및 유지관리를 위한 경사계측은 다른 계측분야와는 달리 아직도 아날로그 신호 출력센서와 아날로그 신호를 측정하는 데이터로거 사용이 주를 이루고 있 다. 이러한 아날로그 신호 방식의 시스템은 측정 장비가 센서와 멀리 떨어져 설치될 경우 주변의 건설 장비, 용접장비, 전기의 불규칙적 변화 등에서 발생하는 노이즈의 영향을 받아 계측 오류현상 발생 빈도 가 높아진다. 또한 계측기술자의 숙련도에 따른 계측오차 발생, 측정 정밀도의 제약, 온도 변화에 따른 오차발생 제거 어려움 등의 문제점이 발생되어 경사계측의 정확도가 떨어지는 원인이 되고 있다. 이러 한 문제점을 해결하기 위하여 최신의 기술을 적용한 고정밀 디지털 A/D 컨버터 제어용 디지털 데이터 로거를 장착한 계측시스템의 개발이 시급한 실정이다. 현재 수입에 주로 의존하고 있는 자동 계측시스 템에는 아날로그 릴레이방식이 주종이며, A/D 컨버터는 16비트가 주종을 이루고 있다. 즉 국내에서 사 용하는 건설계측기는 측정기, 센서, 신호케이블로 구성되어 있으며, 측정할 때 각각 센서 신호케이블을 통해 센서의 아날로그 신호를 데이터로거에서 측정, 저장 및 전송되는 시스템(Sensor to Logger)이며
* 정회원, 경복대학 건설환경정보과 교수 E-mail :
[email protected]
TEL : (031)539-5360 FAX : (031)539-5368
** (주)호승이앤씨, 대표이사
*** 한국철도시설공단 기술본부 고속철도설계팀장
대부분을 수입에 의존하고 있는 실정이다. 그리고 국내에서 개발된 데이터로거는 외국제품의 모방에 한 정되어 있으므로 기존 아날로그 방식을 추종하고 있으며 새로운 최신 기술을 접목한 측정기기 개발이 요구된다 하겠다. 따라서 본 연구에서는 24비트 분해능의 고정밀 A/D 컨버터 제어용 디지털 데이터로거 계측시스템에 대한 연구, 즉 디지털 데이터 로거는 수동측정과 자동측정을 동시에 만족하고 통신 포트 를 내장하여 여러개의 디지털센서를 한 개의 케이블(Sensor to Sensor)로 연결하여 한 장소에서 측정할 수 있는 시스템을 연구개발하고자 하는 것이다.
2. 자동계측시스템의 디지털 A/D 컨버터 2.1 디지털 A/D 변환
아날로그 신호와 디지털 신호의 차이는 크게 ' 선' 과 ' 숫자' 로 구별된다. 즉 아날로그는 곡선의 형태로 정보를 전달하고, 디지털은 1과 0이라는 숫자를 통해 정보를 전달한다. 예를 들면 아날로그 신호는 전류 의 주파수나 진폭 등 연속적으로 변화하는 형태로 전류를 전달하고, 디지털 신호는 전류가 흐르는 상태 (1)와 흐르지 않는 상태(0)의 2가지를 조합하여 전달한다. 디지털 방식은 연속적인 값들을 모두 세분해 서 그 세분한 값들을 전부 하나의 값으로 표시한다. 이를테면 0부터 1사이는 0, 1부터 2사이는 1, 이런 식으로 표시하데, 이에 비해 아날로그 방식에서는 있는 그대로 0.1 이면 0.1, 0.2면 0.2 로 표시가 되는 것이다.
디지털 A/D변환의 기본개념은 변환하는 아날로그 양의 본질적 내용은 달라지지 않은 채 여러 수준의 신호, 곧 디지털로 바뀌어지는 전자적 처리 과정을 말한다. 아날로그 양을 디지털 양으로 변환하는 이유 는 디지털 신호들이 아날로그 신호보다 명확하고 규칙적이며, 무질서한 잡음으로부터 구분하는 전자회 로를 쉽게 만들 수 있어서 더 효율적으로 전달할 수 있기 때문이다. 연속변화량의 아날로그 신호를 받 아 이산적(離散的)으로 부호화된 신호로 변환시키는 장치를 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter；ADC 또는 AD변환기)라고 한다. 이는 온도· 압력· 유량 등의 아날로그 계측 값을 컴퓨터에 입 력하는 경우 등에 사용한다.
AD변환은 크게 2종류로 나눈다. 첫째는 전압을 입력으로 하고 그것을 전기적인 신호로 변환하는 경 우이고, 둘째는 기계적 변위를 입력으로 하고 그것을 전기적인 디지털 신호로 변환하는 경우이다. 전자 의 방식으로는 펄스부호변조(PCM) 회로가 있는데, 이에는 계수식· 계단파식· 펄스 순환식· 감폭 진동파 식· 2진 부호판식· 다주파식이 있다. 후자의 방식으로는 계수방식· 부호판방식이 있다. 가정용 적산전력계도 AD변환을 이용한 것이다. 전화 모뎀의 경우, 꼬임대선을 통하여 들어오는 오디오 신호를 컴퓨터가 이해 할 수 있는 신호로 바꾸기 위해 AD변환을 사용한다.
전압, 전류, 온도, 습도, 압력, 유량, 속도, 가속도 등과 같은 아날로그 물리량을 측정하여, 컴퓨터로 제
어 또는 분석하려면 디지털 값으로 변환하여 읽어 들여야 하는데 이러한 장치를 DAS(Data Acquisition
System)라고 한다. DAS는 센서, A/D 컨버터가 내장된 데이터로거, 컴퓨터 등으로 구성된다. 센서는 측
정하려는 물리량을 전압, 전류 또는 주파수와 같은 전기량으로 변환하는 소자이며, A/D 컨버터는 이를
컴퓨터가 읽을 수 있는 병렬 또는 직렬 데이터로 변환하여 주는 장치이다. 대부분의 경우에는 센서와
A/D 컨버터의 사이에 잡음을 제거하고 필요한 신호만을 추출하기 위한 필터나 신호를 적절한 크기로
바꾸기 위한 증폭기와 같은 파형정형회로가 사용된다. A/D 컨버터를 이용한 DAS 설계, 사용은 센서와
파형정형회로에서 아날로그 신호가 올바르게 처리되어 A/D 컨버터에 공급되는 것이 중요하다.
- 251 -
2.2 DAS의 기본구성
DAS 즉 자동계측시스템은 크게 나누어서 다음 그림과 같이 Sensor, Multiplexer, 데이타로거, 운영 PC 및 통신장비로 구성되며, 각 구성요소의 기술적 기능 및 사양은 다음과 같다.
그림 1. Data Acquisition System의 구성도
3. 고정밀 디지털 데이터로거 시스템
3.1 고정밀 24비트 A/D 컨버터 제어용 디지털 데이터로거
철도 건설 현장에서 사용되는 센서는 대부분 아날로그 출력 센서이므로, 정밀한 원격 측정을 위해서
는 A/D 컨버터가 내장된 측정기를 사용하여야 한다. 기존에는 수많은 센서를 A/D 컨버터가 장착된 아
날로그 데이터로거까지 통신 케이블로 연결하여 측정관리 하였으나, 철도구조물이 복잡, 대형화 되고 전
자 통신의 발전으로 수많은 통신 장비를 사용하므로 각종 아날로그 출력 센서의 측정케이블이 많아지면
외부 전자기파에 의한 영향을 받기 쉬워 정확한 데이터 관리가 어려워진다. 이러한 환경을 극복하기 위
해서는 센서와 A/D 컨버터가 일체화된 디지털센서를 제어하는 디지털 데이터로거 시스템이 필요하며,
또한 고정밀 분해능의 A/D 컨버터 개발이 필요하다. 기존에 사용된 12bit 분해능의 A/D 컨버터를 이용
한 디지털 변환기는 아날로그 센서 신호를 측정할 경우 전자회로 시스템 구조상 한단계 낮은 8bit로 아
날로그 센서 신호를 분해하여 처리하였다. 따라서 정밀한 데이터를 신속 정확하게 측정 관리하기 위해
서 16bit 이상으로 아날로그 센서 신호를 분해할 수 있는 24bit A/D 컨버터를 장착한 디지털 변환기가
필요하다. 분해능은 입력된 아날로그 신호를 미세하게 나누어 처리하는 능력으로, 8bit는 1/256, 16bit는
1/65536 로 분해하여 디지털 신호로 처리하므로 아주 정밀한 계측이 가능하다. 예를 들어 +10도에서
-10도 까지 측정할 수 있는 구조물경사계 센서를 12bit A/D 컨버터로 분해하면 20도/256(8bit)=0.078도
/bit, 24bit A/D 컨버터로 분해하면 20도/65536(16bit)=0.0003도/bit가 된다. 다음 그림은 본 연구를 통하
여 연구개발된 고정밀 24비트 A/D 컨버터 제어용 디지털 데이터로거이다.
그림 2. 연구개발된 고정밀 디지털 데이터로거
3.2 고정밀 디지털 데이터로거 시스템에 의한 경사계측
다음 그림은 본 연구에서 개발된 디지털 데이터로거 시스템에 의한 철도구조물의 경사 및 균열 계측 을 기존의 방식과 비교한것이다. 그림에서와 같이 개발된 24bit A/D 컨버터 제어용 디지털 데이터로거 를 이용한 측정시스템은 다양한 철도 건설 현장의 구조물에 적용하여 외부 노이즈 영향을 최소화한 정 밀한 데이터를 측정 관리할 수 있다.
그림 3. 연구개발된 디지털 데이터로거에 의한 개선된 자동계측시스템
4. 고정밀 디지털 데이터로거 시스템의 현장적용성 검증
본 연구에서 연구개발된 고정밀 24비트 A/D 컨버터 제어용 디지털 데이터로거의 현장적용성 검증작
업을 다음과 같이 수행하였다. 즉 적용 현장은 경기도 동두천에 위치한 경원선 복선전철 3공구에 위치
한 구조물이다. 그림 4는 현장에서 적용성검증에 사용된 디지털데이터 로거이며, 그림 5는 구조물 현장
- 253 - 에 설치한 경사계이다.
그림 4. 현장 적용성검증에 사용된 디지털데이터 로거
그림 5. 경원선 철도구조물 현장에 설치한 경사계
이와같이 연구개발된 고정밀 24비트 A/D 컨버터 제어용 디지털 데이터로거의 철도구조물 현장적용성 검증 수행결과, 현장에서 개발된 본 디지털 데이터로거의 완전한 작동 즉 본 디지털 데이터로거에 의한 디지털 자동계측이 완벽하게 처리됨을 검증 확인할 수 있었다.
5. 결론
본 연구의 목표는 각종 철도구조물 건설현장의 안정성 확보 및 유지관리를 위한 경사계측을 위하여
최근에 개발 적용되고 있는 자동계측 기법중에서, 고정밀 24 비트 디지털 변환기를 제어하는 디지털 데
이터로거를 장착한 계측시스템을 이용한 실시간 자동계측기법을 연구개발하는데 있다. 이를 위하여 철
도구조물계측에 사용되는 각종 아날로그 센서를 디지털 신호 출력시스템으로 적용하는 기법 즉 아날로
그 측정시스템을 디지털 자동 측정시스템으로 개선하는 방안을 연구하였으며, Sensor to sensor방식의
Serial 통신방식을 연구개발하였다. 즉 1개의 통신케이블로 연결 작동되므로 설치수량 및 위치간격에 대
한 제한성 극복하고 자동계측 데이터로거가 경량화되어 저렴한 자동계측시스템 구축하게 되었다. 이와
같이 현재의 16 비트 주종의 아날로그 방식의 A/D컨버터를 대채할 24 비트 A/D컨버터를 탑재한 디지
털 데이터로거를 연구 개발하고, 이를 이용한 데이터 전송기법 및 자동계측 분석 프로그램을 연구개발
하였다. 이러한 고정밀 디지털 데이터로거 시스템을 이용한 자동계측을 철도건설 현장의 경사측정에 실
적용한 결과 아주 양호한 결과를 얻었다. 따라서 본 연구결과는 각종 철도구조물에 대한 경사측정의 실 시간 자동계측에 효율적으로 활용될 것이다.
참고문헌
